恒星生命的奇幻漂流

楊璐

人的生命有始有終，恒星也一樣，要經(jīng)過漫長歲月的洗禮，在茫茫宇宙中完成屬于它們的生命輪回。那么，恒星究竟是如何產(chǎn)生的，它們?nèi)绾纬砷L，又會怎樣走向消亡呢？請隨我們一同去看看恒星生命的奇幻漂流。

恒星究竟是由什么構(gòu)成的？

等離子體是固體、液體和氣體之外物質(zhì)的第四種狀態(tài)，恒星就是一個巨大的等離子體球。恒星里那些等離子體是氣體加熱而產(chǎn)生的，當(dāng)原子失去電子，產(chǎn)生出帶正電荷的離子和自由電子的混合物，這就是等離子體。一顆恒星質(zhì)量是驚人的，以太陽為例，它的質(zhì)量占整個太陽系的99%，是地球質(zhì)量的30萬倍以上。

恒星如何誕生的？

當(dāng)你在黑夜中仰望天空，看上去似乎大部分的地方都是空著的，但是實(shí)際上星與星之間的空間里存在著許多氣體分子，構(gòu)成這些氣體分子的最重要元素就是氫。這些分子可以在宇宙中無止境地漂流。一些區(qū)域的氣體量比別處更多，當(dāng)這些“分子云”變得足夠密集，就能夠產(chǎn)生足夠的引力，將氣體分子聚集在一起，形成一個團(tuán)塊。

這種現(xiàn)象有時候是由于隨機(jī)運(yùn)動而發(fā)生的，但有時是由附近的某個事件而觸發(fā)的。如果一顆恒星走到生命盡頭，發(fā)生爆炸，那么爆炸所產(chǎn)生的沖擊波就能夠?qū)⒎肿油频揭黄穑a(chǎn)生這種團(tuán)塊現(xiàn)象。一顆星的死亡為另一個星的誕生撒下了種子，這大概就是星星生命的延續(xù)。

當(dāng)氣體團(tuán)塊在引力作用下變得越來越致密，這些氣體的溫度就會隨氣壓的升高而上升。這就像往自行車?yán)锎驓?，充進(jìn)去的氣越多，里面的氣壓越大，氣體溫度越高。不過，恒星中的氣壓可不是車胎里氣壓所能比擬的，那里的氣壓大到極致，甚至能夠讓一個密集的等離子體球變成一個核反應(yīng)堆，從中釋放出大量的能量。

恒星的能量來自哪里？

當(dāng)形成恒星的氣體越來越緊密，那里就會變得特別熱，足夠產(chǎn)生等離子體，開始逐漸閃耀出微弱的光芒。這些組成恒星的基本材料在數(shù)百數(shù)千年的時間中不斷濃縮，那片區(qū)域的溫度和氣壓也變得越來越高。像太陽這樣的恒星，其中心溫度可以很容易地達(dá)到1000萬攝氏度，在這種條件下，就會發(fā)生核聚變。

聚變中較輕的元素結(jié)合起來，形成稍重的元素。典型的恒星核反應(yīng)會將氫原子核變成一個更為復(fù)雜的原子核，形成一個相對更重的元素——氦（第二輕的元素）。當(dāng)離子之間非常接近的時候，就會出現(xiàn)一種強(qiáng)力，超越它們正電荷之間的電斥力，把它們彼此推到一起。

然而，即便在恒星核心高溫高壓的環(huán)境下，離子仍然很難壓得足夠近，無法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的強(qiáng)核力。實(shí)際上，除了強(qiáng)核力，恒星還依靠一種奇特的量子效應(yīng)——遂穿，遂穿是指離子這樣的量子粒子能夠順利穿透一個具有排斥性的障礙，仿佛那里什么都沒有一樣，然后讓離子之間足夠近，能夠發(fā)生核聚變。這一過程會在核聚變反應(yīng)過程中產(chǎn)生一股巨大能量，氫彈的破壞性影響也是以此為能量之源。

這種能量中的一部分變成熱量被釋放出來，一部分成為光能散發(fā)出去，光中的光子開始從恒星這個大球中尋找出路往外沖。但是這些光子會被另外一部分等離子所吸收，然后晚些時候再次發(fā)散出去，所以光從恒星的核心散發(fā)出來會花費(fèi)幾百萬年的時間。從恒星中散發(fā)出的能量特別大，拿太陽來說，它釋放了大約4×1018億瓦特光能，其中只有8.9×108億瓦特到達(dá)地球。盡管這只占太陽輸出總能量的一分鐘的量，但是也比人類目前所使用的總能量多出數(shù)千倍來。

太陽是典型的恒星嗎？

太陽和那些閃爍微亮光芒的星星看起來非常不同，但這只是距離問題而已。除了太陽之外，距離我們最近的恒星是比鄰星，它與我們的距離比太陽與地球的距離要遠(yuǎn)25萬倍。盡管用肉眼乍一看所有的恒星長得都差不多，但它們彼此之間顏色和亮度都不一樣。用天文術(shù)語來說，太陽是一顆黃色的矮星。這令人很疑惑，太陽看起來并不是黃色的，而且怎么能說占了太陽系99%的龐然大物是個“矮子”呢？實(shí)際上太陽是白色的，說它顏色為黃色是因?yàn)榘坠庵衅{(lán)的部分透過大氣層時被散射掉了，變成了我們頭頂?shù)乃{(lán)天，從而使得我們接收到的陽光偏黃。而之所以稱它矮星，是在拿它與其他更大的巨星相比。從亮度上來說，太陽能夠躋身銀河系恒星中前10%。

和許多其他恒星一樣，太陽也是一顆主序星。在星空赫羅圖上，自左上角到右下角沿對角線的一條窄帶，大多數(shù)主序星集中分布在這條窄帶上，這條對角線被稱為主星序，主星序上的恒星都是矮星，顏色從黃色到藍(lán)色不等。根據(jù)這些星在主星序上的位置，用字母給這些星標(biāo)號，順序很奇怪，分別為O、B、S、F、G、K、M，O級星最熱，M級最冷。太陽是顆G級星，比較靠中間范圍。

太陽上的氫都用完后會怎樣？

作為一顆恒星，太陽將氫轉(zhuǎn)化為氦，它自身變得更熱了。因?yàn)楹け葰湔加玫目臻g更少，所以太陽的核心就能夠繼續(xù)收縮，在此過程中產(chǎn)生更多的熱量。這會使它在主星序上的地位逐漸上升。太陽已經(jīng)存在了45億年，在此期間他的亮度已經(jīng)提升了30%，而它總共會在主星序上待100億年。在太陽變得更熱，地球被曬得無法居住之前，我們可能還有20～30億年時間好好享受溫暖舒適的陽光。

當(dāng)恒星核心大部分的氫消耗殆盡，它就不能再待在主星序上了。和那些星星一樣，太陽也會經(jīng)歷這樣的變化：變成一個紅巨星（通常是橙色的），最后體積變得比現(xiàn)在大200多倍。當(dāng)太陽核心氫漸漸消耗殆盡，就會發(fā)生坍縮，坍縮過程中會產(chǎn)生大量能量，將恒星的表層向外推出去。整顆恒星仍舊會以氫聚變產(chǎn)生的能量來維持運(yùn)行，但是由于它的外殼變大了，其表面的溫度就會降低，顏色也會變得更紅。預(yù)計(jì)太陽停留在紅巨星階段的時間約為10億年。

然后會發(fā)生什么？

當(dāng)大部分的氫被耗盡，太陽上將會發(fā)生氦聚變，會出現(xiàn)一種非?？斓暮らW過程（這一過程發(fā)生在太陽內(nèi)部，我們無法觀測），在此過程中會釋放大量能量，太陽中10%的氦會一下子轉(zhuǎn)化為碳。

在接下來的1億年中，太陽將會把剩余的氦燃燒干凈，其核心會再度坍縮，放出能量，大部分外殼會整個被沖擊波推出去。那些外殼層會在恒星殘余部分的周圍形成一個發(fā)光的氣體云團(tuán)——行星狀星云。這個時候，太陽剩余部分的核心仍然會比之前太陽表面的溫度更高，在行星狀星云的中間，太陽剩余的部分會形成一顆小型的白矮星，大概只有地球的大小。在這一階段，不會再發(fā)生聚變，因此恒星在接下來的幾十億年中會越來越黯淡。最后，太陽會變成一顆黑矮星，幾乎無法放出任何光來。但現(xiàn)在整個宇宙都還不存在任何黑矮星，因?yàn)橛钪娴恼Q生并不久，還沒有足夠的時間讓恒星走到這一步。

比太陽大的恒星如何變化？

最亮的O級主序星和B級恒星與太陽的演化路線并不一致。通常說來，這些恒星只有數(shù)萬年到數(shù)億年不等的壽命，比太陽來說要短得多。因?yàn)樗鼈兊囊Ω?，所以它們?nèi)紵诵奶帤涞乃俣雀?，也就更快形成紅超巨星。這些恒星核心的氫一旦耗盡，就會立即開始氦聚變。氦聚變所產(chǎn)生的產(chǎn)物不僅有碳，還包含一些更重的元素，甚至可以到達(dá)鐵元素的程度，鐵元素?zé)o法再進(jìn)行聚變。到了這個時候，恒星的鐵核心坍縮，最終發(fā)生一次巨大的爆炸，成為一顆超新星。

我們能在地球上

觀測到超新星嗎？

超新星爆發(fā)會產(chǎn)生巨大的光。過去距離太遠(yuǎn)根本看不到的星，突然變得可見了，就像是天空中一顆新生的星星。超新星爆炸特別明亮，甚至在大白天都能看得到。隨著超新星逐漸消退，恒星的殘骸會變成一個巨大的漩渦，也就是星云，其中，最著名的星云就是蟹狀星云。地球上可以清楚看到超新星爆炸，公元1054年中國古代天文學(xué)家曾對這次超新星爆炸的奇觀進(jìn)行了記錄。現(xiàn)在，我們運(yùn)用高科技的望遠(yuǎn)鏡甚至能夠觀測到銀河系外的星系中發(fā)生的超新星爆炸。

出現(xiàn)超新星后又會怎樣？

在超新星爆炸的過程中，恒星的外部部分被一種特別強(qiáng)烈的沖擊波所炸開，在這一過程中比鐵更重的銅、金等元素都能夠產(chǎn)生。而恒星內(nèi)部參與的部分會繼續(xù)坍縮，形成一個中子星（完全由中子構(gòu)成的及其致密的星體）或者一個黑洞。

我們能在天空中看到

不同階段的恒星嗎？

我們能夠在天空中觀測到大部分種類的恒星類型，但是黑矮星除外。矮星是銀河系中最常見的恒星，除此之外，我們也能夠看到一些紅巨星，比如金牛座的畢宿五，以及獵戶座參宿七這樣的超巨星。

不過，中子星和黑洞是不能直接看見的，但是我們可以根據(jù)一些相關(guān)的現(xiàn)象效果觀測它們。中子星通常會快速旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射出燈塔般的光束，我們將看到的閃爍源叫做脈沖星。而黑洞的存在可以通過它周圍的物質(zhì)來進(jìn)行判斷，當(dāng)它吞噬坍縮的恒星時，會釋放出大量的輻射。最難發(fā)現(xiàn)的是褐矮星，這是一種介于木星這樣的氣態(tài)行星和恒星之間的一種星體。它們不夠大，無法觸發(fā)核聚變，所以它們只能靠收縮來釋放熱量，發(fā)出微弱的光。從本質(zhì)上來說，這是一種“發(fā)育不良”的恒星。